摻輕質(zhì)顆粒的水工混凝土低塑性砂漿抗凍性影響研究

馮寶君

(葫蘆島市綏中縣水利建筑工程公司，遼寧 葫蘆島 125200)

由于受到凍融破壞作用北方寒區(qū)水工構(gòu)筑物難以維持長效運行，研究混凝土抗凍耐久性及其凍融破壞機理，并提出行之有效的混凝土性能改善措施顯得非常重要。目前，學術界對混凝土凍融破壞普遍認可的是滲透壓和靜水壓兩種理論，但實踐表明混凝土漿體與凍融作用密切相關[1-3]。在混凝土中摻入輕質(zhì)顆?；騼?nèi)部多孔隙的固體摻加劑，能夠有效緩解凍融破壞時混凝土的凍脹應力，將輕質(zhì)顆粒摻入干硬性混凝土能夠發(fā)揮緩解凍脹應力的作用，這也是一種改善低塑性混凝土抗凍性的重要途徑。

為改善北方寒區(qū)水工混凝土抗凍性，文章選用橡膠粉、EPS顆粒(可發(fā)性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質(zhì)材料，其中橡膠粉和EPS顆粒屬彈性固體材料，陶砂屬輕質(zhì)骨料，深入探討了不同輕質(zhì)顆粒及其摻量對砂漿抗凍性的影響，旨在為北方寒區(qū)水工混凝土方案設計提供一定參考。

1 試驗方法

1.1 原材料準備

試驗所用材料有水、水泥、粉煤灰、橡膠粉、普通中砂、陶砂、EPS顆粒，其中水泥為P·O 42.5“海螺牌”硅酸鹽水泥；粉煤灰為Ⅱ級；普通中砂的細度模數(shù)2.4，普通中砂顆粒級配，見表1。試驗所用陶砂1h吸水率6.5%，表觀密度1780kg/m3，細度模數(shù)1.6，級數(shù)為700，陶砂級配，見表2。EPS顆粒吸水率1.5%，表觀密度20.5kg/m3。

表1 普通中砂顆粒級配

表2 陶砂級配

1.2 方案設計

在低塑性砂漿中摻入不同類型的輕質(zhì)顆粒，并利用快速凍融法測試砂漿抗凍性，其中EPS顆粒和陶砂設計摻量為2%、4%、6%，橡膠粉設計摻量為1%、2%。低塑性砂漿試件質(zhì)量按每凍融循環(huán)5次測試一次，以質(zhì)量損失達到5%作為凍融循環(huán)終止條件。凍融循環(huán)后取出試件，依次測試抗壓強度，探討不同凍融循環(huán)下低塑性砂漿的抗壓強度和質(zhì)量損失狀況。

1.3 試驗方法

試驗設計低塑性砂漿試件尺寸70mm×70mm×70mm，砂漿含氣量利用水泥砂漿含氣筒測試，成型后利用承壓板和壓重塊碾壓，按表面壓強4.8kPa設計試件成型總質(zhì)量，將粗骨料剔除測試凝膠砂礫石低塑性砂漿抗凍性[4]。試驗過程中標準養(yǎng)護各組試件，為保證試件處于飽水狀態(tài)，待養(yǎng)護至規(guī)定齡期的前3d取水浸入水中，利用CDR-5快速凍融試驗機測試試件的抗凍性，完成凍融試驗后再測試各組試件的抗壓強度[5]。

2 摻輕質(zhì)顆粒的低塑性砂漿抗凍性

2.1 不同陶砂摻量

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同陶砂摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質(zhì)量損失情況，凍融作用下?lián)教丈吧皾{試件性能變化，見圖1。由圖1(a)可知，凍融循環(huán)≤10次時不同陶砂摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi)，凍融循環(huán)達到15次后各組試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%，即發(fā)生嚴重的破壞。由圖1(b)可知，凍融循環(huán)達到20次情況下，低塑性砂漿強度損失隨陶砂摻量的增加而減小，基準砂漿和摻2%、4%、6%陶砂砂漿的抗壓強度損失分別為51.8%、45.2%、38.4%、25.1%?？傮w而言，將陶砂摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性能，并且抗凍性隨陶砂摻量的增加而增強。

(a)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖1 凍融作用下?lián)教丈吧皾{試件性能變化

2.2 不同EPS顆粒摻量

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同EPS顆粒摻量的低塑性砂漿抗壓強度及質(zhì)量損失情況，凍融作用下?lián)紼PS顆粒砂漿試件性能變化，見圖2。由圖2(a)可知，摻EPS顆粒的砂漿凍融破壞與摻陶砂相似，凍融循環(huán)≤10次時不同EPS顆粒摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi)，凍融循環(huán)達到15次后各試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%，即發(fā)生嚴重的破壞。在凍融次數(shù)相同的條件下，摻6%EPS顆粒的砂漿試件質(zhì)量損失略高于基準組。由圖2(b)可知，凍融循環(huán)達到20次情況下，摻EPS顆粒的低塑性砂漿強度損失略低于基準組，并且低塑性砂漿摻不同EPS摻量時其強度損失相差不大，但低塑性砂漿摻6%EPS顆粒的強度損失高于摻4%的強度損失。總體而言，將適量EPS顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性能[6]，并且EPS顆粒摻量一般≤4%。

(a)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖2 凍融作用下?lián)紼PS顆粒砂漿試件性能變化

2.3 不同橡膠粉摻量

本試驗以40、60、80、100目4種粒徑的橡膠粉作為輕質(zhì)材料，按1%、2%摻量將個粒徑材料加入低塑性砂漿試件中，測試不同凍融循環(huán)下各組砂漿試件的抗壓強度及質(zhì)量損失，凍融作用下?lián)较鹉z粉砂漿試件性能變化，見圖3。由圖3(a)可知，摻橡膠粉的砂漿凍融破壞與摻陶砂、EPS顆粒相似，凍融循環(huán)≤10次時不同橡膠粉摻量的砂漿試件質(zhì)量損失均在1%以內(nèi)，凍融循環(huán)達到15次后各試件出現(xiàn)明顯的質(zhì)量損失，當凍融循環(huán)達到20次時試件質(zhì)量損失>5%，即發(fā)生嚴重的破壞。由圖3(b)可知，凍融循環(huán)達到20次情況下，摻橡膠粉的低塑性砂漿強度損失明顯低于基準組，并且摻量越高試件的強度損失越?。辉谙嗤瑩搅織l件下，各組試件的砂漿強度損失程度相差不大，并且橡膠粉粒徑越大則砂漿強度損失也越大?？傮w而言，將適量橡膠粉摻入低塑性砂漿中能夠明顯改善其抗凍性，橡膠粉摻量越大、粒徑越小其改善砂漿抗凍性的效果就越好[7]。

(c)質(zhì)量損失 (b)強度損失圖3 凍融作用下?lián)较鹉z粉砂漿試件性能變化

2.4 輕質(zhì)顆粒改善砂漿抗凍性機理

在低塑性砂漿中摻入橡膠粉、EPS顆粒和陶砂，由于內(nèi)部大孔隙較多直接用DSX軟件分析會引起誤差的增大，因此孔隙分析時選用普通砂漿。對摻不同輕質(zhì)顆粒的普通砂漿利用DSX軟件分析其孔隙率，結(jié)果顯示摻橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的砂漿內(nèi)孔隙率依次為9.12%、9.57%、7.34%，這與基準組的8.81%相差并不明顯，研究表明將輕質(zhì)顆粒摻入普通砂漿中其改善砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的作用不大[8-9]。

未摻輕質(zhì)顆粒的低塑性砂漿膠砂比為1:4.6，橡膠粉、EPS顆粒和陶砂的摻入明顯提高了低塑性砂漿的含氣量，并且摻量越高含氣量越高[10]。將輕質(zhì)顆粒摻入低塑性砂漿中能夠在一定程度上改善其抗凍性，具體而言：在砂漿攪拌過程中陶砂內(nèi)部的大量小孔能夠吸收水分，在水化過程中孔隙內(nèi)的水分可遷移至水泥石中，從而發(fā)揮一定的養(yǎng)護作用，且內(nèi)部孔隙處于不飽和狀態(tài)，砂漿受凍時陶砂中的孔隙能夠在很大程度上緩解砂漿的凍脹破壞；EPS顆粒具有吸水率小、表面光滑、內(nèi)部多孔隙等特征[11]，水分無法通過孔隙滲入內(nèi)部，受凍時能夠抵消砂漿的凍融應力；橡膠粉具有一定的彈塑性且內(nèi)部密實，受凍融破壞時橡膠粉能夠抵抗砂漿受到的凍脹應力[12-18]。

3 結(jié) 論

文章探討了橡膠粉、EPS顆粒(可發(fā)性聚苯乙烯)和陶砂3種輕質(zhì)材料改善低塑性砂漿的抗凍性能，并在此基礎上探討了其作用機理，主要結(jié)論為：

1)由于膠砂比較低低塑性砂漿的抗壓強度明顯低于普通砂漿，將輕質(zhì)顆粒摻入低塑性混凝土中，在一定程度上降低了砂漿抗壓強度，并且砂漿抗壓強度損失隨輕質(zhì)顆粒摻量的增加而增大，其中砂漿強度受陶砂的影響最低。

2)采用輕質(zhì)顆粒改善普通砂漿和低塑性砂漿的抗凍性時，EPS顆粒摻量一般≤4%，其中橡膠粉對砂漿抗凍性的改善效果由于EPS顆粒和陶砂，并且橡膠粉摻量越高、粒徑越小則抗凍性改善效果越明顯。